加权复杂网络抗毁性及其故障恢复技术研究

论文摘要

各种各样复杂的网络已经成为人们生活和工作中密不可分的一部分,但是由于多种因素的影响,这些复杂的网络并不是无坚不摧的,例如军事打击、恶意攻击、自然灾害及网络本身部件的老化都会对网络的抗毁性和生存性产生着严重的威胁。近年来,复杂网络抗毁性及其故障恢复技术已经引起众多专家和学者的关注,成为一个极为重要而且富有挑战性的前沿科研课题。目前专家和学者大多从网络拓扑的角度对无权网络抗毁性及其演化模型进行研究,但是无权复杂网络仅仅是对现实世界复杂网络的一个简单的抽象,并不能够很好地体现现实复杂网络的特性,也不能够描述现实中不同部件间的差异性。基于上述事实,当前在复杂网络研究领域尚包括以下几方面的问题亟待解决：1)对加权网络的拓扑特性研究不够深入：目前众多专家和学者已经以无权网络为研究对象,对现实网络的抗毁性进行了深入研究,但是对加权网络的研究尚处于初级阶段,为了能够更加真实地反映现实网络的抗毁性,十分有必要对能够体现现实网络差异性的加权网络的内部规律及其成因做深入地研究,以解决现实网络的抗毁性问题；2)对加权复杂网络的抗毁性评估手段研究不够深入：目前对于加权网络的抗毁性,大多是基于故意攻击和随机攻击下的复杂网络的抗毁性进行评估,尚缺少更加符合现实情况的局部信息已知情况下的网络抗毁性的研究；3)目前对于复杂网络的研究,大多是对基于节点失效的网络抗毁性的考察,而在实际网络中,更多的情况是边失效的的情况,因此基于边失效的网络抗毁性有待于进一步的评估；4)目前在提高网络抗毁性的方法中,大多仅仅局限于研究网络的拓扑结构因素对复杂网络抗毁性的影响,而忽略从故障恢复技术的角度来提高网络的抗毁性。但在实际网络中,通过考察网络各个部件的重要性,利用现有的故障恢复/保护技术则能够更加有效地提高网络的抗毁性。基于上述情况,本文将典型地加权复杂网络-Internet作为研究对象,围绕以下几个方面进行了研究：1.对加权复杂网络特性进行研究,从加权网络发展的角度研究加权网络的演化模型；从加权网络成因的角度研究了能够体现加权复杂网络抗毁性的多个因素。根据加权复杂网络的特性,提出了“基于节点重要度的局部信息下的加权网络抗毁性评估方案”。作者给出了节点重要度的定义,从节点信息的获取、攻击策略、攻击节点比例三个因素分析了加权网络的抗毁性。该方案利用节点的“重要度”来描述不同节点重要性,通过分析加权复杂网络在随机攻击、不等概率信息获取攻击及故意攻击模式下网络性能的变化,得出了节点的重要性及攻击策略对网络的抗毁性具有重要影响的结论。依据仿真结果得知,网络攻击在优先信息获取情况下,只需要获取少量节点的信息就会导致网络变得异常脆弱。因此在实际的网络中,人们可以通过保护少数重要的节点或者对重要节点使用故障恢复技术的方式来提高网络的生存性。2.根据真实网络中的故障发生频率,结合加权网络的特性,提出基于边失效的加权网络抗毁性模型F（α,I,f）。作者使用网络鲁棒性及网络效率对抗毁性模型F（α,I,f）进行了仿真试验,仿真结果说明,攻击信息的获取量和信息重要性对网络的抗毁性均具有重要的影响。当网络信息获取为随机获取时,网络的抗毁性取决于网络信息量的获取程度,当网络的信息获取为零时,基于边失效的网络具有较强的抗毁性。而在网络信息为优先获取情况下,只需要获取少量的重要的边信息就会致使网络变得异常脆弱。因此,在真实的网络中,人们不仅仅要从拓扑设计的角度来提高网络的抗毁性和生存性更应该利用保护技术和故障恢复技术对少数重要的边进行防护。3.通过研究IP层故障特点及现有的IP层域内故障恢复技术,提出了“基于强制转发路径方案”（CIFPA）的IP层本地快速重路由技术方案,该方案在实施过程中通过查看包头“选项”字段、读取携带在包头里的转发路径来实现本地快速重路由。由于该方案仅仅是在网络收敛过程中才使用,因此其引起的网络的额外开销并不大。通过仿真试验表明该方案能够很好地提升网络的性能,引入的额外开销较小；能够解决的单链路故障问题；对其它链路上的流量影响小,能很好地保持网络的稳定性；对网络平均节点度较大的网络具有很好的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 国内外抗毁性研究现状
• 1.1.2 国内外网络故障恢复技术研究现状
• 1.2 本文的主要研究工作
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 论文的主要贡献
• 1.2.3 论文的内容及结构安排
• 1.3 本章参考文献
• 第2章 复杂网络相关概念与理论
• 2.1 网络基本的拓扑结构模型
• 2.1.1 规则网络
• 2.1.2 随机图
• 2.1.3 小世界网络模型
• 2.1.4 无标度网络模型
• 2.2 复杂网络抗毁性定义
• 2.2.1 定性的定义
• 2.2.2 定量的定义
• 2.3 复杂网络特征参数
• 2.3.1 节点的度与度分布
• 2.3.2 平均路径长度
• 2.3.3 介数
• 2.3.4 其它网络特征参数
• 2.4 本章小结
• 2.5 本章参考文献
• 第3章 基于节点重要度的局部信息下的加权网络抗毁性评估方案
• 3.1 加权网络介绍
• 3.1.1 加权网络的定义
• 3.1.2 加权网络的基本特征参数
• 3.1.3 常见加权网络模型
• 3.2 基于节点重要度的局部信息下的加权网络抗毁性评估
• 3.2.1 节点重要性的评估
• 3.2.2 局部信息下的攻击策略
• 3.2.3 抗毁性评估方案
• 3.2.4 网络抗毁性仿真分析
• 3.3 本章小结
• 3.4 本章参考文献
• 第4章 基于边失效的加权网络抗毁性评估模型
• 4.1 基于边失效的网络抗毁性模型
• 4.2 网络信息获取模式
• 4.2.1 信息量的获取
• 4.2.2 信息重要性的获取
• 4.2.3 攻击策略
• 4.3 网络抗毁性测度
• 4.3.1 基于边的网络鲁棒性
• 4.3.2 网络效率
• 4.4 网络抗毁性仿真分析
• 4.4.1 网络鲁棒性变化
• 4.4.2 网络性能变化
• 4.5 本章小结
• 4.6 本章参考文献
• 第5章 Internet网络故障恢复基本的概念与技术
• 5.1 网络生存性定义及提高生存性的手段
• 5.1.1 Internet可靠性评估指标
• 5.1.2 网络生存性定义
• 5.1.3 提高网络生存性的手段
• 5.2 网络故障原因及故障类型故障
• 5.2.1 网络故障原因
• 5.2.2 网络故障类型及其技术分类
• 5.3 Internet故障恢复技术
• 5.3.1 光纤层生存性技术
• 5.3.2 MPLS故障恢复技术
• 5.3.3 IP层域内故障恢复技术
• 5.4 Internet仿真工具介绍
• 5.4.1 Internet拓扑建模简介
• 5.4.2 拓扑生成器BRITE
• 5.4.3 网络仿真软件SSFNET
• 5.5 本章小结
• 5.6 本章参考文献
• 第6章 基于强制转发路径的IP层域内故障恢复技术方案
• 6.1 OSPF路由协议收敛过程
• 6.2 基于强制转发路径的故障恢复技术
• 6.2.1 CIFPA方案介绍
• 6.2.2 试验及仿真结果
• 6.3 本章小结
• 6.4 本章参考文献
• 第7章 结束语
• 7.1 论文总结
• 7.2 未来的研究方向
• 缩略词
• 致谢
• 个人简历及参加的科研工作
• 附录: 博士期间的论文和获奖情况